Поверхностные явления

Поверхностные явления (далее П) выражение особых свойств поверхностных слоев, т. е. тонких слоев вещества на границе соприкосновения тел (сред, фаз). Эти свойства обусловлены избытком свободной энергии поверхностного слоя, особенностями его структуры и состава. П могут иметь чисто физический характер или сопровождаться превращениями; они протекают на жидких (легкоподвижных) и твердых межфазных границах. П, связанные с действием поверхностного натяжения и вызываемые искривлением жидких поверхностей раздела, называются также капиллярными явлениями. К ним относятся капиллярное всасывание жидкостей в пористые тела, капиллярная конденсация, установление равновесной формы капель, газовых пузырей, менисков. Свойства поверхности контакта двух твердых тел или твердого тела с жидкой и газовой средами определяют условия таких явлений, как адгезия, смачивание, трение. Молекулярная природа и свойства поверхности могут коренным образом изменяться в результате образования поверхностных мономолекулярных слоев или фазовых (полимолекулярных) пленок. Такие изменения часто происходят вследствие физических процессов (адсорбции, поверхностной диффузии, растекания жидкости) или взаимодействия компонентов соприкасающихся фаз. Любое "модифицирование" поверхностного (межфазного) слоя обычно приводит к усилению или ослаблению молекулярного взаимодействия между контактирующими фазами (см. Лиофильность и лиофобность). Физические или превращения в поверхностных слоях сильно влияют на характер и скорость гетерогенных процессов — коррозионных, каталитических, мембранных и др. П отражаются и на типично объемных свойствах тел. Так, уменьшение свободной поверхностной энергии твердых тел под действием адсорбционно активной среды вызывает понижение их прочности (см. Ребиндера эффект). Особую группу составляют П, обусловленные наличием в поверхностном слое электрических зарядов: электроадгезионные явления, электрокапиллярные явления, электродные процессы. Физические или изменения в поверхностном слое проводника или полупроводника существенно сказываются на работе выхода электрона. Они также влияют на П в полупроводниках (поверхностные состояния, поверхностную проводимость, поверхностную рекомбинацию), что отражается на эксплуатационных характеристиках полупроводниковых приборов (солнечных батарей, фотодиодов и др.). П имеют место в любой гетерогенной системе, состоящей из двух или нескольких фаз. По существу весь материальный мир — от космических объектов до субмикроскопических образований — гетерогенен. Как гомогенные можно рассматривать системы лишь в ограниченных объемах пространства. Поэтому роль П в природных и технологических процессах чрезвычайно велика. Особенно важны П в коллоидно-дисперсных (микрогетерогенных) системах, где межфазная поверхность наиболее развита. С П связана сама возможность возникновения и длительного существования таких систем. К П в дисперсных системах сводятся основные проблемы коллоидной химии. Во взаимосвязи броуновского движения и П протекают все процессы, приводящие к изменению размеров частиц высокодисперсной фазы (коагуляция, коалесценция, пептизация, эмульгирование). В грубодисперсных и макрогетерогенных системах на первый план выступает конкуренция поверхностных сил и внешних механических воздействий. П, влияя на величину свободной поверхностной энергии и строение поверхностного слоя, регулируют зарождение и рост частиц новой фазы в пересыщенных парах, растворах и расплавах, взаимодействие коллоидных частиц при формировании разного рода дисперсных структур. На глубину и направление процессов, обусловленных П, часто решающим образом влияют поверхностно-активные вещества, меняющие в результате адсорбции структуру и свойства межфазных поверхностей. Основы современной термодинамики П созданы американским физикохимиком Дж. Гиббсом. В трудах советских ученых П. А. Ребиндера, А. Н. Фрумкина, Б. В. Дерягина, А. В. Думанского получили развитие теоретические представления о природе и молекулярном механизме П, имеющие важное практическое значение.

Использование П в производственной деятельности человека позволяет интенсифицировать существующие технологические процессы. П в значительной мере определяют пути получения и долговечность важнейших строительных и конструкционных материалов; эффективность добычи и обогащения полезных ископаемых; качество и свойства продукции, выпускаемой текстильной, пищевой, химико-фармацевтической и многими другими отраслями промышленности. Большое значение имеют П в металлургии, производстве керамики, металлокерамики, полимерных материалов (пластических масс, резины, лакокрасочных продуктов). Для техники важны такие П, как смазочное действие, износ, контактные взаимодействия, структурные изменения в поликристаллических и композиционных материалах, а также электрические и электрохимические процессы и явления на поверхностях твердых тел. Познание П в живой природе позволяет сознательно влиять на биологические процессы с целью повышения продуктивности сельского хозяйства, развития микробиологической промышленности, расширения возможностей медицины и ветеринарии.

Л. А. Шиц.

В биологии П играют важную роль прежде всего на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях организации живых систем. Различные биологические мембраны отграничивают клетку от внешней среды и обеспечивают ее микрогетерогенность. На мембранах клетки и внутриклеточных органелл (митохондрий, пластид и др.) происходят фундаментальные для жизни процессы: рецепция экзо- и эндогенных биологически активных веществ (гормонов, медиаторов, антигенов, феромонов и т.д.); ферментативный катализ (многие ферменты встроены в мембраны, образуя многоферментные каталитические ансамбли); преобразование энергии в осмотическую работу; окислительное фосфорилирование, т. е. сопряжение процессов окисления с накоплением энергии в макроэргических соединениях. Особенности взаимодействия поверхностей ответственны за агрегацию клеток, их прикрепление к живым и неживым субстратам (в т. ч. образование тромба при повреждении стенки сосуда, сорбция вирусов на клетках и т.п.). Функционирование важнейших ферментных систем (например, ансамбля дыхательных ферментов) — пример гетерогенного катализа. Адсорбция соответствующих физиологически активных веществ на поверхностях лежит в основе "распознавания" своих и чужих макромолекул (см. Иммунология, Компетенция, Хеморецепция), наркоза, передачи нервного импульса. В целом П в живых системах отличаются от таковых в неживой природе гораздо большей специфичностью, взаимной согласованностью во времени и пространстве. Например, рецепция гормона на поверхности клетки вызывает конформационный переход (см. Конформация) ряда компонентов мембраны, что обусловливает изменение ее проницаемости и гетерокаталитической активности. Это, в свою очередь, вызывает многочисленные физико- и биохимические сдвиги в клетке, что в совокупности и определяет ее реакцию на воздействие.

По мере эволюции роль П в процессах жизнедеятельности возрастает. Так, более древний механизм обеспечения клеток энергией — гликолиз — осуществляется ферментами цитоплазмы, лишь частично закрепленными на структурах эндоплазматической сети; эволюционно более поздний и экономичный путь получения энергии — дыхание — осуществляется за счет гетерокаталитических систем (см. Окисление биологическое). У одноклеточных организмов питание происходит путем заглатывания целых макромолекул и их последующего расщепления внутри клетки (см. Пиноцитоз); у высших — существенную роль играет пристеночное (контактное) пищеварение, когда ферментативный гидролиз макромолекул пищи происходит на внешней поверхности клетки и координирован с последующим транспортом продуктов расщепления в клетку. См. также Проницаемость биологических мембран.

А. Г. Маленков.

Лит.: Мелвин-Хьюз Э. А., Физическая пер. с англ., кн. 2, М., 1962, с. 807; Курс физической химии, под ред. Я. И. Герасимова, 2 изд., т. 1, М. — Л., 1969; Успехи коллоидной химии, под ред. П. А. Ребиндера и Г. И. Фукса, М., 1973; Гиббс Д ж. В., Термодинамические работы, пер. с англ.. М. — Л., 1958; Русанов А. И., Фазовые равновесия и поверхностные явления. Л,, 1967; Межфазовая граница газ — твердое тело, пер. с англ., М., 1970; Дерягин Б. В., Кротова Н. А., Смилга В. П., Адгезия твердых тел, М., 1973; 3имон А. Д., Адгезия жидкости и смачивание, М., 1974; Семенченко В. К., П в металлах и сплавах, М.. 1957; Recent progress in surface science, ed by J. . Danielli (a. o.), v. 1—5, . . — L., 1964—72. См. также лит. при статьях Коллоидная химия, Поверхностное натяжение. Васильев Ю. М., Маленков А. Г., Клеточная поверхность и реакции клеток, Л., 1968; Пасынский А. Г., Биофизическая 2 изд., М., 1968; Surface phenomena in chemistry and biology, L. — (a. o.), 1958; Surface chemistry of biological systems, . . — L., 1970.

		Новости 21.11.2024 11:52:54

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.